양자역학 기초(우리 세상은 이미 양자 역학)

양자역학은 우리의 일상적인 경험과는 아주 다른, 신비로운 세계를 다루는 학문입니다. 하지만 동시에, 스마트폰, 컴퓨터, 레이저, 신소재 등 현대 기술의 거의 모든 기반이 바로 이 양자역학 덕분이죠. 이 양자역학의 아주 기본적인 이야기들을  풀어보려고 합니다. 우리 주변의 아주 작은 세상을 들여다보는 흥미로운 여행이라고 생각하시면 됩니다.

 

1. 왜 '양자역학'이 필요하나

우리가 학교에서 배우는 물리 법칙, 예를 들어 뉴턴이 발견한 운동 법칙 같은 것들은 우리 눈에 보이는 크기의 세계에서는 아주 잘 작동합니다. 공을 던지면 어떻게 떨어지는지, 자동차가 어떻게 움직이는지 등을 정확히 예측할 수 있죠. 이걸 '고전 물리학'이라고 부릅니다.

그런데 과학자들이 원자나 전자처럼 눈에 보이지 않는 아주 미세한 세계를 연구하기 시작하면서, 고전 물리학 법칙으로는 설명이 안 되는 현상들이 자꾸 나타난 거예요. 전자가 왜 원자핵 주변을 아무 에너지나 가질 수 없고 특정 에너지 준위에서만 돌고 있는지 같은 것들이죠. 이때 등장한 것이 바로 '양자역학'입니다. 양자역학은 아주 작은 세계(원자, 분자, 전자, 광자 등)를 설명하기 위한 새로운 물리 법칙 체계입니다. 고전 물리학과는 완전히 다른, 우리 직관과는 동떨어진 특별한 규칙들이 적용되는 곳이죠.

 

2. '양자(Quantum)'란 개념의 이해

양자역학에서 가장 중요한 단어가 바로 '양자(Quantum)'입니다. 양자란 무슨 뜻일까요?

고전 물리학에서는 에너지나 다른 물리량이 연속적인 값을 가질 수 있다고 생각했습니다. 마치 경사로처럼 부드럽게 오르내릴 수 있는 값이라고 생각했죠. 하지만 양자역학은 다릅니다. 에너지나 다른 물리량이 '양자화'되어 있다는 것은, 특정 값들만 가질 수 있고 그 사이의 값은 가질 수 없다는 뜻입니다. 마치 계단처럼, 띄엄띄엄 정해진 값만 가질 수 있는 거죠.

예를 들어, 원자 속 전자는 아무 궤도나 아무 에너지나 가질 수 없습니다. 정해진 몇 개의 '에너지 준위'라는 계단 위에만 존재할 수 있죠. 이것이 바로 '에너지의 양자화'입니다. 빛의 경우에도 마찬가지입니다. 빛 에너지는 '광자(Photon)'라는 에너지 덩어리, 즉 양자 단위로만 존재한다고 밝혀졌습니다.

 

3. 파동일까, 알갱이일까. 이중성 (Wave-Particle Duality)

양자역학의 세계에서는 우리 상식으로는 이해하기 힘든 일이 벌어집니다. 바로 '파동-입자 이중성'입니다.

우리는 보통 물체를 '입자'(공처럼 덩어리진 것)와 '파동'(물결이나 소리처럼 퍼져나가는 것)으로 구분합니다. 그런데 양자 세계에서는 입자라고 생각했던 것(전자)이 파동처럼 행동하기도 하고, 파동이라고 생각했던 것(빛)이 입자처럼 행동하기도 합니다!

가장 유명한 예가 바로 '이중 슬릿 실험'입니다. 빛이나 전자를 아주 좁은 두 개의 구멍(슬릿)에 쏘면, 만약 그것들이 단순히 입자라면 구멍 모양대로 두 줄의 흔적만 남아야 할 것 같습니다. 하지만 실제로는 파동이 서로 간섭해서 만드는 무늬(간섭무늬)가 나타납니다. 마치 물결처럼 퍼져나갔다는 뜻이죠. 그런데 이 실험을 할 때, 입자를 아주 하나씩만 쏘면 화면에 '점'으로 찍힙니다. 입자처럼 행동한 거죠. 심지어 '어느 슬릿으로 지나가는지' 관찰하려고 하면 다시 입자처럼 행동해서 간섭무늬가 사라져 버립니다.

즉, 양자 세계의 존재들은 관찰하기 전까지는 파동처럼 행동하며 여러 가능성을 내포하고 있다가, 관찰하는 순간 입자처럼 하나의 상태로 결정되는 이상한 행동을 합니다.

 

4. 동시에 여러 상태에 존재한다, 중첩 (Superposition)

양자역학에서 가장 신비로운 개념 중 하나가 '중첩'입니다. 우리 눈에는 물체가 딱 한 가지 상태(예: 여기에 있다, 오른쪽에 있다)에만 존재한다고 생각합니다. 하지만 양자 세계에서는 한 입자가 동시에 여러 상태에 '중첩'되어 존재할 수 있습니다.

예를 들어, 전자의 '스핀'이라는 성질은 위를 향하거나 아래를 향하는 두 가지 상태를 가질 수 있습니다. 그런데 측정하기 전까지는 전자는 스핀이 '위'인 상태와 '아래'인 상태가 동시에 섞여 있는 '중첩 상태'로 존재한다는 겁니다. 마치 동전을 던져서 공중에 떠 있을 때는 앞면과 뒷면 상태가 동시에 가능한 것처럼 말이죠.

이 개념을 극단적으로 보여주는 사고실험이 바로 '슈뢰딩거의 고양이'입니다. 상자 안에 고양이와 방사성 물질, 독극물 장치를 넣어둡니다. 방사성 물질이 붕괴하면 독극물이 나와 고양이가 죽게 설계되어 있습니다. 방사성 물질은 양자역학 법칙에 따라 일정 시간 후 '붕괴된 상태'와 '붕괴되지 않은 상태'가 중첩되어 있습니다. 그렇다면 상자 안의 고양이도 '살아있는 상태'와 '죽어있는 상태'가 중첩되어 있다는 겁니다! 물론 이건 실제 실험이 아니라 양자 중첩의 이상함을 설명하기 위한 사고실험입니다. 중요한 점은, 우리가 상자를 열어 '관찰'하는 순간, 고양이는 살아있거나 죽었거나 둘 중 하나의 상태로 결정된다는 것입니다.

 

5. 보는 순간 정해진다, 측정 (Measurement)과 파동 함수 붕괴

앞서 말한 중첩 상태는 우리가 '측정'하거나 '관찰'하기 전까지 유지됩니다. 양자역학에서는 입자의 상태를 '파동 함수'라는 수학적인 것으로 나타냅니다. 이 파동 함수는 입자가 어떤 상태에 있을 '확률'들을 나타냅니다. 여러 상태가 중첩되어 있다는 것은 이 파동 함수가 여러 가능한 상태에 퍼져 있다는 뜻입니다.

그런데 우리가 입자를 '측정'하는 순간, 그 파동 함수가 한순간에 하나의 상태로 쪼그라듭니다. 우리가 관찰한 그 상태로 결정되어 버리는 거죠. 이걸 '파동 함수 붕괴(Wave Function Collapse)'라고 부릅니다.

이 점이 양자역학을 더욱 신비롭고 논쟁의 여지가 많게 만듭니다. '측정'이라는 행위가 단순히 상태를 확인하는 것이 아니라, 상태 자체를 결정짓는다는 의미가 될 수 있기 때문입니다. '본다'는 것이 무엇인지, '관찰자'의 역할은 무엇인지에 대한 철학적인 질문으로도 이어지죠.

 

6. 다 알 수는 없어, 불확정성 원리 (Uncertainty Principle)

양자역학에서는 모든 것을 완벽하게 알 수 없습니다. 특히 독일의 물리학자 하이젠베르크가 밝혀낸 '불확정성 원리'는 아주 유명합니다. 이 원리는 어떤 입자의 특정 두 가지 물리량(예: 위치와 운동량)은 동시에 아주 정확하게 측정할 수 없다는 것입니다. 전자의 '위치'를 아주 정확하게 알려고 하면 할수록, 전자의 '운동량'(속도와 방향)은 더 불확실해집니다. 반대로 운동량을 아주 정확히 알면 위치가 불확실해지죠. 둘 다를 동시에 원하는 만큼 정확하게 알 수 있는 방법은 양자 세계에서는 존재하지 않습니다.

이것은 우리의 측정 기술이 부족해서가 아니라, 양자 세계 자체의 근본적인 특성 때문입니다. 입자는 파동처럼 퍼져 있기 때문에 '어디에 정확히 있다'고 말하기 어렵고, 동시에 그 파동의 '속도'를 정확히 정의하기도 어려운 것과 관련이 있습니다.

7. 정리하면

양자역학의 세계, 조금은 이상하고 어렵게 느껴지지만 흥미로운데요. 에너지나 물리량이 띄엄띄엄하고, 물체가 파동이자 알갱이처럼 행동하고, 동시에 여러 상태에 있다가 보는 순간 결정되고, 모든 것을 동시에 정확히 알 수는 없다는 이야기들 말이죠.

양자역학은 우리의 일상적인 경험 세계와 너무 달라서 직관적으로 이해하기는 어렵습니다. 하지만 수학적으로는 놀라울 정도로 정확하며, 앞서 말했듯 현대 과학기술의 거의 모든 분야에 적용되고 있습니다. 

이 신비로운 세계에는 '얽힘(Entanglement)'처럼 더 기묘하고 놀라운 현상들이 많이 남아있습니다. 물리학자들은 여전히 양자역학이 왜 이렇듯 이상한 규칙을 따르는지에 대해 깊이 연구하고 있습니다. 어쩌면 우리가 사는 이 우주가 근본적으로 이렇게 '양자적'으로 작동하는 것일지도 모릅니다. 이러한 원리를 이용한 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신 등 미래 기술의 핵심 역시 양자역학에 달려 있다고 합니다. 그래서 다음글은 양자 컴퓨터에 대해 알아볼께요!!